POLITECNICO DI TORINO I Facoltà di ingegneria
Corso di laurea in Ingegneria Energetica e Nucleare Tesi di Laurea Magistrale
Interventi su edifici della pubblica amministrazione: efficienza energetica e
integrazione con fonti rinnovabili
Relatore: Poggio Alberto Correlatore: Cerino Giulio Abdin
Candidato: D’Agata Giuseppe Antonio
Sommario
1. Introduzione ... 4
2. Politiche Energetiche Internazionali ... 6
2.1. Quadro Energetico Europeo ... 9
2.2. Quadro Energetico Italiano ... 11
2.3. Il Sistema Elettrico Nazionale ... 12
2.4. Fonti Energetiche Rinnovabili ... 16
2.5. Efficienza energetica ... 19
3. Profili di carico ... 21
3.1. Firma Energetica ... 23
4. Analisi dei consumi ... 25
4.1. Firma energetica del DIATI ... 36
5. Progettazione elettrica di impianti fotovoltaici connessi alla rete ... 41
5.1. Distribuzione spettrale della radiazione solare ... 42
5.2. La cella fotovoltaica ... 46
5.3. Il problema dell’ombreggiamento ... 49
5.4. Installazione dei moduli fotovoltaici... 50
5.5. Tipologie di impianti fotovoltaici ... 51
6. Modello fotovoltaico ... 52
6.1. Previsioni di ombreggiamento ... 61
6.2. Carico dovuto all’illuminazione ... 64
7. Impianto fotovoltaico in realizzazione ... 72
7.1. Differenze con il modello teorico ... 73
7.2. Report Scenario Attuale PVSOL Premium ... 76
7.3. Report Scenario 100% LED PVSOL Premium ... 89
8. Conclusioni... 102
9. Bibliografia ... 105
10. Appendice ... 108
10.1. Modulo Fotovoltaico SunForte PM096B00 ... 109
10.2. Inverter di stringa ABB PV10/12.5-TL-OUTD ... 111
10.3. SMA Sunny Tripower 15000/20000/25000 TL ... 115
10.4. Modulo fotovoltaico SunPower X22-360-COM ... 118
1. Introduzione
A seguito della crisi energetica degli anni Settanta, i Paesi occidentali si sono interrogati per la prima volta riguardo la criticità del rapporto tra la civiltà industriale e le risorse limitate disponibili sul pianeta. Una simulazione delle interazioni tra le popolazioni, nella quale venivano considerate industrializzazione, inquinamento, produzione alimentare e consumo di risorse, ha previsto il consumo totale delle risorse energetiche ed ambientali in uno scenario di crescita produttiva illimitata. Tuttavia, nello stesso rapporto contenente tale simulazione si sottolineava come sarebbe anche stato possibile raggiungere un tipo di sviluppo non catastrofico, preservando le risorse del pianeta.
Compatibilmente con il tema della salvaguardia dell’ambiente è cresciuto anche quello del risparmio energetico, argomento che riguarda tutti i settori ma che trova ampia potenzialità nel settore edile.
La necessità di costruire edifici energeticamente efficienti è stata già percepita verso la fine del secolo scorso, periodo durante il quale è stato definito il concetto di sviluppo sostenibile (Brundtland, 1987), inteso come
“uno sviluppo in grado di assicurare il soddisfacimento dei bisogni della generazione presente senza compromettere la possibilità delle generazioni future di realizzare i
propri”
Gli edifici sono ad oggi responsabili di una quota compresa tra il 30 ed il 40% degli usi finali di energia a livello mondiale, nonché del 39% delle emissioni di CO2 legate all’energia. Se da un lato tali percentuali sono ancora molto alte, dall’altro la possibilità di applicare misure di riqualificazione e di efficientamento si traduce in un enorme potenziale risparmio energetico.
In Italia, in particolare, gran parte degli edifici esistenti è ormai datata e necessita di costose ristrutturazioni se non addirittura di abbattimenti, ancora più costosi e dannosi per l’ambiente. Tuttavia, il retrofit energetico è una soluzione in grado di garantire una qualità prestazionale superiore dal punto di vista dell’efficienza energetica, mediante la razionalizzazione dei flussi energetici che intercorrono tra il sistema edificio e l’ambiente esterno.
Tale concetto è promosso a livello internazionale, essendo stato assodata la necessità di un cambiamento nel modo di costruire, gestire e manutenere gli edifici esistenti. Per gli edifici non ancora esistenti invece, l’obiettivo per il futuro imminente è quello di costruire edifici ad elevata prestazione, per i quali il consumo energetico dovrebbe essere nullo o quasi nullo: tali edifici prendono il nome di Nearly Zero Energy Building (NZEB).
Il punto di partenza per valutare un retrofit vantaggioso è la diagnosi energetica: il presente lavoro fa riferimento al complesso TOCEN_04, facente parte della Sede Centrale del Politecnico di Torino. L’analisi delle curve di carico e quindi dei consumi è uno studio fondamentale non solo in campo di efficientamento energetico, ma costituisce anche lo strumento migliore per la diagnosi di sprechi o funzionamenti errati di sistemi o apparecchiature.
Grazie alla dettagliata base di dati interna resa disponibile da EDILOG, è stato possibile costruire le curve di carico relative al complesso in esame su base annuale, mensile e giornaliera. I consumi evidenziati sono stati quindi analizzati e commentati in rapporto agli andamenti tipo ed alla destinazione d’uso dei locali. Successivamente, integrando i dati a disposizione con le temperature medie rilevate da ARPA Piemonte, è stata realizzata la firma energetica modello per il complesso di edifici in esame.
Inoltre, a partire dalle curve di carico esistenti è stata ricavata una previsione del carico elettrico che seguirà l'abbandono dei tubi a fluorescenza in favore dei più efficienti tubi a led.
In ultimo ci si è interessati allo studio di fattibilità di un impianto fotovoltaico posto sulle coperture del medesimo complesso. Le caratteristiche tecniche di tale impianto, commissionato dal Politecnico di Torino ed a breve in via di realizzazione, sono state identificate sulla base di precedenti studi riguardanti impianti attualmente in funzione presso la Sede Centrale del Politecnico stesso. Successivamente, il modello fotovoltaico realizzato è stato adattato coerentemente con quanto indicato nella relazione tecnica dell'impianto proposto dall'appaltatore.
2. Politiche Energetiche Internazionali
Nell’età contemporanea, il primo importante passo nella lotta ai cambiamenti climatici coincide senza dubbio con il Protocollo di Kyoto. Con questo trattato climatico, sottoscritto nel 1997 ma entrato in vigore solo ad inizio 2005, i Paesi aderenti si sono impegnati nella riduzione dei consumi energetici, nell’aumento di produzione di energia da fonti rinnovabili e nella riduzione quantitativa delle proprie emissioni di gas climalteranti (GHG) rispetto ai propri livelli di emissione misurati nel 1990. Ciascuno di questi gas è caratterizzato da un suo GWP (Global Warming Potential), ovvero il contributo apportato da quel gas all’effetto serra in relazione al medesimo effetto della CO2, il cui potenziale è convenzionalmente posto pari a 1.
Figura 1. Programmi europei principali, mix energetici e obiettivi, Energy Atlas (2018)
Con la Direttiva 2009/29/CE, successiva al Protocollo di Kyoto, l’Unione Europea si è espressa tramite il suo Parlamento stabilendo gli obiettivi da promuovere in vista di un accordo internazionale, atteso in occasione della successiva COP15 di Copenhagen. Gli obiettivi principali previsti da tale direttiva erano, come noto:
Ridurre le emissioni di gas serra del 20 %;
Innalzare al 20 % la quota di energia prodotta da fonti rinnovabili;
Portare al 20 % il risparmio energetico: il tutto entro il 2020.
Figura 2. Obiettivi previsti dalla Direttiva 2009/29/CE
Con la Convenzione Quadro sui Cambiamenti Climatici di Copenhagen del 2009 (COP15), nonostante il mancato raggiungimento degli accordi proposti, l’Unione Europea ha voluto ulteriormente promuovere il proprio impegno, rilanciandolo oltre l’obiettivo del -20% di emissioni entro il 2020 e portandolo a -30% per il 2030 fino a - 50% entro il 2050. Gli esiti formali della COP15 sono stati fortemente criticati e caratterizzati dalle divergenze tra USA e Cina, le quali non hanno fatto altro che mettere in luce la frattura della Comunità Internazionale, lontana da posizioni comuni a causa di interessi differenti.
Con la COP21 di Parigi del dicembre 2015, 195 Paesi hanno finalmente raggiunto il primo accordo vincolante sul clima mondiale, compiendo un altro fondamentale passo verso politiche energetiche condivise ed a lungo termine.
Figura 3. Impegno dell'UE riguardo all'accordo di Parigi, Consiglio dell'Unione Europea, Segretariato Generale, 2016
Principali elementi del nuovo accordo sono stati:
Mantenere l’aumento della temperatura media globale ben al di sotto di 2°C in più rispetto ai livelli preindustriali e di limitarlo a 1,5°C.
Comunicare ogni cinque anni i propri contributi per fissare obiettivi sempre più ambiziosi, in linea con i progressi tecnologici conseguiti.
Comunicare tra di loro ed al pubblico i risultati raggiunti nell’attuazione dei rispettivi obiettivi, al fine di assicurare trasparenza e controllo.
L’Unione Europea e gli altri paesi continueranno a fornire finanziamenti per il clima ai paesi in via di sviluppo, al fine di aiutarli a ridurre le emissioni.
Da allora sono stati compiuti pochi passi in avanti, con i Paesi partecipanti costantemente in disaccordo sugli obiettivi da imporre. Molto attesa è la futura COP26, prevista per il 2020, durante la quale i Paesi partecipanti dovranno necessariamente scendere a compromessi e dichiarare il reale innalzamento degli obiettivi al di là delle proprie politiche di interesse.
2.1. Quadro Energetico Europeo
Secondo quanto pubblicato dall’Agenzia Europea dell’Ambiente, organismo dell’Unione Europea i cui obiettivi sono il monitoraggio delle condizioni ambientali europee e la fornitura di informazioni indipendenti e qualificate sull’ambiente, nel periodo di tempo compreso tra il 2005 e il 2015 il consumo energetico complessivo europeo è sceso di più del 10% e nel 2015 è stato pari a quasi 1630 Mtep. Questa importante riduzione considerevole è frutto dei progressi conseguiti in ambito di efficienza energetica, dall’aumento della quota di energia proveniente dalle fonti idroelettriche, eoliche e solari fotovoltaiche, nonchè dei cambiamenti strutturali dell’economia e della recessione economica del 2008.
Figura 4. Prodizione di energia elettrica in Europa nel 2017 per fonte, Energy Atlas (2018)
Per quanto riguarda le fonti rinnovabili invece, esse costituiscono una frazione sempre più importante dell’energia utilizzata in Europa. Bisogna sottolineare come la maggior
parte dell’energia consumata nell’Unione Europea provenga ancora dai combustibili fossili (72,6% in termini di consumo interno lordo nel 2015), ma la loro quota nel mix energetico si stia costantemente riducendo.
Figura 5. Scenario per il 2050 del mix energetico europeo, dopo la transizione della produzione energetica al 100%
rinnovabile, Energy Atlas (2018)
2.2. Quadro Energetico Italiano
Secondo quanto pubblicato dal Ministero dello Sviluppo Economico ne “La situazione energetica nazionale nel 2017” (giugno 2018) il consumo interno lordo italiano, nel 2017, è stato di 170 milioni di tonnellate equivalenti di petrolio (Mtep): rispetto al dato 2016 ha registrato un aumento dell’1,5% a fronte di una analoga crescita reale del PIL. La composizione percentuale delle fonti energetiche impiegate per la copertura della domanda nel 2017 è stata caratterizzata, rispetto al 2016, dalla lieve flessione del petrolio dal 34,4% al 33,6%, dei combustibili solidi dal 7% al 6,1%, dall’ invarianza dell’energia elettrica importata pari a 4,9%, dall’aumento di quella del gas dal 34,6% al 36,2 % e da un lievissimo aumento del consumo delle fonti rinnovabili che passa dal 19,1% al 19,2%.
Figura 6. Bilancio Energetico Nazionale, serie storica (2017 dato provvisorio). (Ministero dello Sviluppo Economico, 2018 (giugno))
Nel 2017 la produzione nazionale di fonti energetiche è aumentata complessivamente del 3,5% rispetto allo scorso anno, passando da 39,148 a 40,528 Mtep. Disaggregando per fonte i dati relativi alla produzione si evidenzia un aumento del 10,5% della fonte petrolifera, del 4,1% delle rinnovabili a fronte di una diminuzione del 19,2% dei combustibili solidi e del 4,3% del gas naturale. Sono anche aumentate le importazioni nette di energia, arrivando a 130 Mtep rispetto ai 127 del 2016. Si registra un aumento nelle importazioni nette di gas naturale (+6,6%), di petrolio (+2,3%) e di energia elettrica (+1,9%) mentre diminuiscono quelle relative ai combustibili solidi e alle fonti rinnovabili,
quest’ultime rappresentate prevalentemente da biodiesel e pellet, (rispettivamente del 9,8% e del 35,8%).
Figura 7. Dettaglio del Bilancio dell'Energia in Italia (Mtep) (Ministero dello Sviluppo Economico, 2018 (giugno))
2.3. Il Sistema Elettrico Nazionale
Nel 2017 in Italia la domanda di energia elettrica ha raggiunto i 320,5 TWh, registrando un incremento del 2,0% rispetto all’anno precedente. Questa è stata soddisfatta per l’88,2% da produzione nazionale, coperta ancora principalmente dalla componente termoelettrica tradizionale che continua rappresentare oltre il 50% del fabbisogno, e per la restante quota dalle importazioni nette dall’estero.
Figura 8. Bilancio elettrico 2017, (Terna)
Figura 9. Domanda di energia elettrica in Italia (2000-2017) (Terna)
Secondo quanto attestato nel Bilancio Elettrico Italia 2017 redatto dall’Ufficio Statistico di Terna, nel 2017 “la produzione lorda nazionale pari a 295,8 TWh è stata coperta per il 70,8% da produzione termoelettrica (+5,0% rispetto al 2016), per il 12,8% da produzione idroelettrica (che con -14,1% rispetto al 2016 scende per il terzo anno consecutivo) e il restante 16,3% dalle fonti geotermica, eolica e fotovoltaica.
Quest’ultima, dopo il calo registrato per la prima volta nel 2016 (-3,7%) dovuto principalmente ad un minor irraggiamento solare rispetto al 2015, torna a crescere con una variazione pari a +10,3%; riguardo le altre fonti rinnovabili, fatta eccezione per l’eolico che rimane sostanzialmente stabile, si registra una contrazione che naturalmente interessa principalmente la componente idroelettrica, ma in minima parte anche la fonte geotermoelettrica (-1,4%) e le bioenergie (-0,7%).”
Figura 10. Produzione lorda di energia elettrica per fonte (2000-2017) (Terna)
Per quanto riguarda specificatamente le Fonti Energetiche Rinnovabili, è possibile osservare l’evoluzione della produzione in Figura 11.
Figura 11. Produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili (2000-2017) (Terna)
Infine, si riporta l’andamento del consumo di energia elettrica per settore a livello nazionale. È possibile osservare come il trend sia crescente fino al 2008 per poi ridursi a causa della pesante crisi economica. Nel 2015 si registra un primo incremento positivo del 2,1% rispetto all’anno precedente e successivamente, nel 2017, un ulteriore recupero del 2,2% rispetto al 2016.
Figura 12. Consumi di energia elettrica per settore (2000-2017) (Terna)
2.4. Fonti Energetiche Rinnovabili
Le fonti energetiche rinnovabili (FER) rivestono un ruolo di primo piano nel sistema energetico italiano; nel 2017 si sono confermate una componente determinante del percorso di sviluppo sostenibile del Paese, anche alla luce dei rilevanti impatti generati a livello economico e occupazionale. In termini tendenziali, i numerosi e differenziati meccanismi pubblici di sostegno e incentivazione hanno favorito, a partire dalla seconda metà degli anni duemila, una crescita delle FER particolarmente veloce; negli ultimi 3-4 anni tale dinamica è evoluta in una fase di sviluppo più matura e graduale, caratterizzata dalla progressiva diffusione di tecnologie e impianti più efficienti e con costi di produzione decrescenti che hanno conseguentemente richiesto incentivi anch’essi decrescenti.
In Italia le FER sono impiegate diffusamente nel settore elettrico, in quello termico e nel settore trasporti.
Per quanto riguarda il settore elettrico, le stime preliminari Terna-GSE (Terna) indicano per il 2017 una contrazione della produzione elettrica effettiva da rinnovabili di circa 4 TWh rispetto al 2016 (da 108 TWh a circa 104 TWh) dovuta essenzialmente a fattori climatici. La contrazione ha difatti interessato principalmente la fonte idraulica, che pur confermandosi quella maggiormente utilizzata (35% della generazione da FER), mostrerebbe una riduzione significativa della produzione rispetto all’anno precedente (- 15%) a causa della bassa piovosità che avrebbe portato i valori dei coefficienti di invaso vicino ai minimi storici. La produzione da fonte eolica si manterrebbe sostanzialmente invariata rispetto al 2016, mentre la fonte solare, con oltre 2 TWh di produzione incrementale (+10%), dopo la lieve flessione registrata nel 2016, causata da un minor irraggiamento, aumenterebbe il proprio peso tra le FER dal 20% al 24% circa.
Figura 13. Produzione lorda di energia elettrica da FER in Italia (TWh)
Quanto al settore termico, le stime preliminari relative al 2017 indicano un consumo di energia termica da fonti rinnovabili pari a 11 Mtep; l’incremento rispetto all’anno precedente (+6% circa) è attribuibile principalmente alle temperature più rigide e al conseguente maggior fabbisogno di calore. La fonte rinnovabile di gran lunga più importante per la produzione di energia termica è costituita, anche nel 2017, dalle bioenergie (8,0 Mtep secondo le stime preliminari) e in particolare dalle biomasse solide consumate per il riscaldamento nel settore residenziale (legna da ardere, pellet). Risultano in linea con l’anno precedente, invece, i contributi delle pompe di calore (2,6 Mtep) e quelli, più contenuti, della fonte geotermica (0,2 Mtep) e di quella solare (0,1 Mtep).
Figura 14. Energia termica da fonti rinnovabili in Italia (Mtep)
Infine, per il settore trasporti le stime preliminari sviluppate dal GSE per il 2017 indicano un lieve incremento dell’immissione in consumo di biocarburanti, in massima parte costituiti da biodiesel; il contenuto energetico complessivo dovrebbe attestarsi intorno a 1,06 Mtep.
I dati sinora illustrati si riferiscono alle produzioni effettive di energia da FER nei diversi settori. Applicando a tali produzioni i criteri di contabilizzazione previsti dalla direttiva 2009/28/CE ai fini del monitoraggio degli obiettivi al 2020 - normalizzazione delle produzioni idroelettrica ed eolica, contabilizzazione dei soli bioliquidi e biocarburanti sostenibili e dell’energia fornita dalle pompe di calore - si ottengono i Consumi Finali Lordi (CFL) di energia da FER; nel 2017, tale grandezza è stimata in 21,8 Mtep, in aumento di circa 700 ktep rispetto al 2016.
Figura 15. Consumi finali lordi di energia in Italia (Mtep)
2.5. Efficienza energetica
Lo studio dei mezzi di produzione dell’energia e dei suoi usi finali è non solo utile ma nondimeno indispensabile al fine di rendere efficiente l’utilizzo della fonte energetica. La capacità di utilizzare l’energia nel modo migliore possibile, in linea con i progressi della tecnologia, è senza dubbio la meta da fissare in questo campo.
In generale, l’obiettivo degli studi di efficienza è il risparmio: esso va spesso confuso come risparmio in termini economici, ma è l’incremento del rendimento dei processi di produzione ad essere il vero fulcro degli studi di efficientamento, risultando nel miglioramento dell’utilizzo dell’energia primaria.
La Strategia Energetica Nazionale prevede per l’efficienza energetica un obiettivo di risparmio di 10 Mtep al 2013, con una conseguente riduzione dei consumi finali a 108 Mtep (dai 118 tendenziali). Coerentemente con questo ambizioso obiettivo di riduzione media dei consumi di circa 1 Mtep/anno, il Piano d’Azione per l’Efficienza Energetica 2017 rafforza le misure già attive e volte al raggiungimento degli obiettivi di efficienza energetica al 2020: tali misure coinvolgono tutti i settori, in particolare gli edifici pubblici e privati, le PMI, i trasporti e il Fondo Nazionale per l’Efficienza Energetica. Si stima che le misure per l’efficienza energetica implementate nel periodo 2005-2017 abbiano generato al 2017 risparmi per 13,4 Mtep/anno in termini di energia primaria e di oltre 3,5 miliardi di euro l’anno per importazioni di fonti fossili evitate. risparmi conseguiti, nel periodo 2005-2017, hanno evitato l’emissione di 34,9 MtCO2, circa il 10% delle emissioni di CO2 riportate per l’Italia nel 2016.
Nel periodo 2000-2016, i settori che maggiormente hanno contribuito al miglioramento dell’efficienza energetica sono l’industria e il residenziale. Il primo ha realizzato l’incremento maggiore pari a 20,7%: a partire dal 2005 tutti i comparti industriali hanno realizzato miglioramenti in efficienza energetica anche se non sono stati costanti a causa della crisi e della conseguente capacità produttiva inutilizzata. Il settore residenziale ha realizzato un guadagno dell’efficienza energetica di 10,7%, inferiore a quello registrato nel decennio precedente a causa dei cambiamenti associati al comfort abitativo. Il settore trasporti presenta le maggiori difficoltà nel realizzare incrementi di efficienza energetica perché il trasporto merci è quasi esclusivamente su gomma: ferrovie, navigazione marittima e navigazione aerea hanno registrato negli ultimi importanti guadagni di efficienza energetica ma rappresentano solo il 15% circa del trasporto totale. Per il settore
servizi, l’andamento negativo mostrato dall’indicatore è in parte influenzato dalla scarsità di informazioni dei singoli sottosettori.
Per quanto riguarda il periodo 2019-2030, il principale obiettivo inserito nel Piano Nazionale Integrato per l’Energia ed il Clima (PNIEC) recentemente proposto dall’Italia alla Commissione Europea di Bruxelles prevede che il 30% dei consumi finali lordi siano coperti da fonti energetiche rinnovabili entro il 2030. In particolare, il contributo delle FER risulta così differenziato:
55,4% nel settore elettrico
33% nel settore termico
21,6% per quanto riguarda i trasporti
Sul piano dell’efficienza energetica, la proposta di Piano Nazionale Integrato per l’Energia ed il Clima prevede una riduzione dei consumi di energia primaria del 43% e di energia finale del 39,7% (rispetto allo scenario PRIMES 2007). Per quanto riguarda, invece, il livello assoluto di consumo di energia al 2030, l’Italia persegue un obiettivo di 132,0 Mtep di energia primaria e 103,8 Mtep di energia finale. Sul fronte emissioni, infine, il testo riporta una riduzione dei gas serra del 33% per tutti i settori che non rientrano nell’ETS (Emission Trade System) il Sistema dell'Unione Europea per lo scambio delle quote di emissioni climalteranti.
3. Profili di carico
I profili di carico, o curve di carico, sono grafici che rappresentano l’andamento nel tempo dei consumi di energia elettrica di un’utenza. È possibile derivare curve differenti, anche con andamenti molto diversi tra loro, al fine di ottenere un ventaglio di informazioni utili riguardo un carico o una utenza.
In Figura 16 è riportato un esempio di diagramma di carico in funzione dell’ora.
L’andamento di curve di questo tipo è generalmente a campana, con due picchi di assorbimento tipici di un ufficio o utenza similare. È presente un carico di base, dovuto ad illuminazione notturna e apparecchi elettrici che rimangono in uso costantemente. A partire dalle ore 7 del mattino, il profilo cresce rapidamente per raggiungere il primo picco intorno alle 12; nelle due ore successive è visibile un decremento, che si inverte fino a raggiungere un secondo picco verso le 16 per poi decrescere definitivamente dalle ore 18 alle ore 20.
Figura 16. Esempio di diagramma di carico su base giornaliera (Politecnico di Torino, Sede Centrale, 2018) 0
500 1000 1500 2000 2500 3000
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
Energia [kWh]
Ora
Diagramma di Carico del Politecnico di Torino, Sede Centrale, 17 Maggio 2018
Fabbisogno Prelievo Autoproduzione
Essendo la Sede Centrale del Politecnico di Torino dotata di impianti fotovoltaici per la produzione di energia elettrica, sullo stesso grafico è anche possibile osservare come l’autoproduzione sia utile nel limitare il prelievo dalla rete elettrica.
In Figura 17 è invece mostrato un esempio di diagramma di carico su base settimanale (Politecnico di Torino, Sede Centrale, 14-20 maggio 2018): tale grafico ci permette di osservare come, durante la settimana, l’andamento generale dei consumi elettrici sia il medesimo con picchi più o meno alti dovuti principalmente alle condizioni meteo del giorno specifico. La scarsa illuminazione naturale dovuta a giorni di cielo nuvoloso o pioggia incide infatti sui picchi di assorbimento dal momento in cui nei locali è maggiore la richiesta di illuminazione artificiale.
Risulta anche evidente come nelle giornate di sabato e domenica la richiesta di energia sia decisamente inferiore, seppure non nulla. Questo è dovuto alla presenza di apparecchiature elettriche (luci, server) o macchinari che rimangono in funzione anche nei giorni festivi.
Figura 17. Esempio di diagramma di carico su base settimanale 0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18
Lun Mar Mer Gio Ven Sab Dom
Energia [kWh]
Diagramma di Carico del Politecnico di Torino, Sede Centrale, 14-20 Maggio 2018
Fabbisogno Prelievo Autoproduzione
3.1. Firma Energetica
Altro strumento utile ai fini dell’analisi dei consumi è la firma energetica: essa consiste nella rappresentazione dell’andamento di un consumo energetico (calore, elettricità, volume di gas) in funzione di un parametro esterno, tipicamente la temperatura esterna media. Tale studio è utile sia in fase di dimensionamento progettuale, sia per verificare che il consumo reale sia coerente con quanto calcolato, sia per evidenziare il risparmio ottenuto in seguito a misure di incremento dell’efficienza energetica.
Per svolgere questo tipo di analisi è necessario raccogliere un campione di dati riguardanti i consumi energetici su un periodo di tempo sufficientemente lungo. Solo in questo modo, infatti, la firma energetica può rappresentare un valido strumento qualitativo per la valutazione del comportamento energetico di un edificio.
Una volta selezionati i dati di consumo e temperatura media esterna è possibile osservare (Figura 18) come le coppie di valori tendano a raggrupparsi attorno ad una retta: un ottimo indice della qualità ed affidabilità dell’analisi consiste nella limitata dispersione dei punti rispetto alla retta interpolatrice, che prende il nome di firma energetica.
Figura 18. Consumo settimanale di energia [kWh] in funzione della temperatura esterna [°C]
In Figura 18 è mostrato un esempio di firma energetica: i consumi effettivi sono rappresentati dai punti riportati, mentre le linee di tendenza ne approssimano l’andamento.
Risulta evidente la distinzione in tre aree:
Nella prima si notano grandi consumi in corrispondenza delle temperature esterne più basse; ciò è evidentemente dovuto alla necessità di riscaldamento degli ambienti. Andamenti di questo tipo sono tipici del periodo invernale.
Nella seconda, i consumi si mantengono costanti.
Nell’ultima area i consumi tendono nuovamente a crescere in funzione della temperatura, a causa della richiesta di raffrescamento. Firme energetiche analoghe sono associate al periodo estivo.
Dal tratto caratteristico della stagione di riscaldamento è possibile ricavare utili informazioni: la pendenza della retta, ad esempio, rappresenta il coefficiente di scambio termico totale dell’edificio, indicato come Htot [W/K]. La potenza per la quale la firma ha andamento costante invece può essere indice delle dispersioni fisse dell’impianto di riscaldamento.
Per quanto riguarda il tratto ad andamento costante, è possibile osservare come la firma energetica cambi comportamento per valori di temperatura compresi tra i 16 ed i 18 °C.
Questo è dovuto al contributo degli apporti di calore gratuiti (personale, apparecchiature elettroniche) i quali consentono alla potenza richiesta per il riscaldamento di annullarsi prima che la temperatura esterna raggiunga i 20°C.
In fase di acquisizione dati è possibile riscontrare come alcune coppie consumo- temperatura si trovino ben lontane dalla firma energetica. In generale, questo può essere dovuto sia a condizioni climatiche particolari che ad errori di lettura o acquisizione dei dati. Inoltre, bisogna tenere in considerazione come i consumi possano ridursi a causa di festività o periodi feriali.
4. Analisi dei consumi
L’indagine si concentra su una parte della sede centrale del Politecnico di Torino, distinta dal codice identificativo TO_CEN04. I locali che ne fanno parte ospitano differenti dipartimenti: il Dipartimento di Ingegneria dell’Ambiente e del Territorio (DIATI), il Dipartimento di Scienza Applicata e Tecnologia (DISAT), il Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni (DET) e il Dipartimento Energia (DENERG), locali amministrativi (AMM) e servizi (SERV).
Figura 19. Vista dall'alto del complesso TO_CEN04
I consumi relativi a questi dipartimenti sono costantemente misurati da una rete di contatori che misura il fabbisogno di energia elettrica ogni quarto d’ora; risulta quindi
possibile effettuare un dettagliato studio dell’andamento giornaliero, settimanale, mensile e annuale.
Al fine di restringere l’enorme mole di dati, pur mantenendone una solida e significativa base, sono stati analizzati i dati relativi agli anni successivi al 2015. I consumi relativi al 2015 stesso ed agli anni precedenti sono invece stati esclusi dall’analisi (sebbene siano stati consultati per confronti preliminari): questo perché, nel corso degli anni, il Politecnico di Torino ha eseguito sui propri locali numerosi lavori volti al miglioramento delle prestazioni energetiche degli edifici. Di conseguenza, i consumi energetici relativi a tali anni non risultano più significativi per il presente studio.
Figura 20. Pianta del complesso TO_CEN04, piano terra [1:0.0005]
Per lo stesso motivo si è scelto di limitare l’analisi delle curve di carico agli edifici che ospitano i locali del DIATI e parte dei locali del DISAT. Dal momento in cui la destinazione d’uso è la medesima per ciascun Edificio (aule, uffici, servizi), sebbene in misura differente, si è ritenuto quindi di poter estendere i risultati dell’analisi all’intero complesso. Ci si riferirà a tali edifici con i nomi Edificio 1 ed Edificio 2 (vedi Figura 19).
Figura 21. Suddivisione del complesso TO_CEN04, piano terra
Tabella 1. Legenda dei locali in Figura 21
AMM Ateneo DENERG DISAT DAUIN DET DIATI
I contatori utili ai fini dell’analisi sono identificati dai codici mostrati in Tabella 2 , insieme all’uso dei locali risultante dalle planimetrie e dai sopralluoghi effettuati, ove possibile.
ID Edificio Piano Tipo di locali
844 1 Intero Edificio Laboratori, Uffici, Aule
849 2 Interrato Laboratori, Uffici, Aule
850 2 Piano Terra Laboratori, Uffici, Aule
851 2 Primo Laboratori
852 2 Secondo Uffici
853 2 Terzo Uffici, Biblioteca, Laboratori
Tabella 2. Contatori associati agli edifici 1 e 2
I dati relativi ai consumi energetici sono stati riportati su Excel ed opportunamente mediati sulle ore di riferimento. Inoltre, dai valori riportati in energia sono stati ricavate le potenze assorbite dalle utenze. In questo modo è stato possibile generare delle curve di carico utili per valutare sia la richiesta di energia, sia i picchi di assorbimento che i consumi generali.
In prima analisi, si è voluto studiare le variazioni sulle potenze medie assorbite su base annuale. Tali variazioni possono essere dovute all’installazione di nuove apparecchiature o impianti energivori, se in aumento, oppure di interventi sulle strutture finalizzati al risparmio energetico, se in diminuzione. Per l’Edificio 1, i profili piuttosto discontinui sono dovuti ad alcuni periodi in cui i record sono stati evidenziati nulli. Ciò può essere dovuto sia a malfunzionamenti dei contatori che alla messa in atto di lavori di manutenzione sui locali, con conseguente delocalizzazione del personale.
Figura 22. Media potenze assorbite, confronto annuale Edificio 1
Quanto all’Edificio 2, i profili di carico su base annuale sono decisamente più continui, con una evidente eccezione in corrispondenza del mese di agosto. In questo mese infatti, dal momento in cui i locali del Politecnico non sono in uso, la richiesta di energia elettrica si abbassa decisamente pur non annullandosi.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Potenza [kW]
Media potenze assorbite, confronto annuale, Edificio 1
2016 2017 2018
Figura 23. Media potenze assorbite, confronto annuale Edificio 2
È possibile anche osservare come la curva relativa al 2018 si mantenga per diversi mesi, e per entrambi gli edifici, al di sopra dei profili relativi agli anni 2016 e 2017. Più in dettaglio (Figura 24 e Figura 25), esaminando la richiesta media su base settimanale, si osserva come per l’Edificio 1 i consumi relativi al 2018 siano sempre superiori rispetto agli anni precedenti. Per l’Edificio 2 si osserva una tendenza del tutto analoga.
0 2 4 6 8 10 12
Potenza [kW]
Media potenze assorbite, confronto annuale, Edificio 2
2016 2017 2018
Figura 24. Media potenze assorbite annualmente su base settimanale, Edificio 1
Figura 25. Media potenze assorbite annualmente su base settimanale, Edificio 2
Al fine di esaminare ancora più in dettaglio i profili di carico, si è scelto di confrontare le medie di potenza assorbita su base giornaliera. Come mostrato in Figura 26, per l’Edificio 1 i consumi medi giornalieri relativi all’anno 2018 si attestano al di sotto di quelli del 2017.
0 5 10 15 20 25 30
0 Lun
12 0 Mar
12 0 Mer
12 0 Gio
12 0 Ven
12 0 Sab
12 0 Dom
12
Potenza [kW]
Giorno della Settimana
Media potenze assorbite annualmente su base settimanale, Edificio 1
2018 2017 2016
0 10 20 30 40 50 60 70
0 Lun
12 0 Mar
12 0 Mer
12 0 Gio
12 0 Ven
12 0 Sab
12 0 Dom
12
Potenza [kW]
Giorno della Settimana
Media potenze assorbite annualmente su base settimanale, Edificio 2
2018 2017 2016
Figura 26. Medie annuali della potenza assorbita misurata (kW), giorni festivi esclusi, Edificio 1
In Figura 27 sono invece state riproposte le stesse curve di carico al netto dei fine settimana (sabato e domenica). Poiché in tali giorni i consumi sono notevolmente più bassi, vista la destinazione d’uso dei locali in esame, la presenza di questi giorni su curve di carico ha l’effetto di spostare verso il basso i carichi medi. Escludendoli, si ottengono dei carichi medi più alti ma al tempo stesso più rappresentativi. Per l’Edificio 1, la differenza tra i picchi di assorbimento per l’anno 2018 con e senza weekend è di circa 1 kW.
Figura 27. Medie annuali della potenza assorbita misurata (kW), giorni festivi e weekend esclusi, Edificio 1 0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Potenza [kW]
Ora
Medie annuali della potenza assorbita misurata (kW), Edificio 1
2016 2017 2018
0 2 4 6 8 10 12
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Potenza [kW]
Ora
Medie annuali della potenza assorbita misurata (kW), Edificio 1
2016 2017 2018
Per l’Edificio 2 sono stati tracciati gli stessi grafici (Figura 28 e Figura 29), ma non si osserva una differenza apprezzabile con il variare degli anni. Nuovamente, escludendo i weekend dai profili, si ottiene un picco di potenza media più elevato rispetto al caso generale, che si attesta poco al di sotto dei 20 kW.
Figura 28. Medie annuali della potenza assorbita misurata (kW), giorni festivi, Edificio 2
Figura 29. Medie annuali della potenza assorbita misurata (kW), giorni festivi e weekend esclusi, Edificio 2 0
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Potenza [kW]
Ora
Medie annuali della potenza assorbita misurata (kW), Edificio 2
2016 2017 2018
0 5 10 15 20 25
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Potenza [kW]
Ora
Medie annuali della potenza assorbita misurata (kW), Edificio 2
2016 2017 2018
Ancora per l’Edificio 2, si riporta in Figura 30 il confronto tra la media della potenza assorbita annualmente (2018) suddivisa per piano. Al fine di ottenere dei profili più significativi, sono stati ulteriormente esclusi i dati relativi ai giorni festivi ed i fine settimana (sabato, domenica).
Risulta evidente come i profili siano differenti tra loro a causa della destinazione d’uso dei locali in esame. La curva gialla, ad esempio, fa riferimento ad un piano che ospita laboratori, i quali evidentemente sono utilizzati maggiormente in fascia pomeridiana. Al contrario, i piani dell’Edificio 2 che ospitano aule ed uffici sono caratterizzati sia da richieste più elevate che da andamenti a doppio picco tipici dei profili di carico.
Figura 30. Media annuale (2018) della potenza assorbita, dettaglio Edificio 2 0
0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Potenze [kW]
Ora
Media annuale (2018) della potenza assorbita, dettaglio Edificio 2
849 - Piano Interrato 850 - Pianoterra 851 - Primo Piano 852 - Secondo Piano 853 - Terzo Piano
4.1. Firma energetica del DIATI
Con riferimento a quanto enunciato nel paragrafo 3.1, si è scelto di realizzare la firma energetica degli edifici in esame. Per fare ciò, oltre ai dati misurati da EDILOG, si è fatto ricorso ai dati meteorologici resi disponibili dall’Agenzia Regionale per la Protezione Ambientale (ARPA Piemonte). La stazione meteorologica scelta è ubicata in Via della Consolata 10, a circa 2 km dal Politecnico di Torino.
Figura 31. Banca Dati Meteorologica, ARPA Piemonte
A causa degli usi differenti dei locali interessati dallo studio, una prima analisi degli edifici non ha manifestato risultati incoraggianti. In Figura 32 è mostrata l’energia assorbita dall’Edificio 1 in funzione della temperatura esterna media nel periodo compreso tra il 1° Gennaio 2015 ed il 31 Dicembre 2018. Nonostante l’enorme quantità di dati riportati, risultano evidenti delle anomalie dovute a mancati record di temperatura in diversi giorni, presumibilmente dovuti a malfunzionamento della stazione meteorologica. Analogamente, sono presenti mancati record di energia dovuti allo spegnimento dei contatori.
Ad ogni modo, si comincia ad intuire il trend atteso per la realizzazione della firma energetica.
Per l’Edificio 2 la situazione si è presentata in modo del tutto analogo (Figura 33): sono ancora presenti delle anomalie, ma l’andamento previsto non è ancora del tutto evidente.
Figura 32. Energia assorbita [kWh] in funzione della temperatura esterna media, Edificio 1
Figura 33. Energia assorbita [kWh] in funzione della temperatura esterna media, Edificio 2
Si è quindi proceduto nel mediare tramite Excel le informazioni a disposizione al fine di ottenere dei risultati più chiari e soprattutto più significativi. In tal modo sono stati
0 50 100 150 200 250 300 350 400
-5 0 5 10 15 20 25 30 35
Energia [kWh]
Temperatura esterna media giornaliera [°C]
Energia assorbita, Edificio 1
0 50 100 150 200 250 300 350 400
-5 0 5 10 15 20 25 30 35
Energia [kWh]
Temperatura esterna media giornaliera [°C]
Energia assorbita, Edificio 2
ottenuti degli andamenti privi di record nulli (Figura 34) e graficamente più
comprensibili. Tuttavia, solo grazie al dettaglio per piano (Figura 35) è stato possibile ricavare le informazioni che si stava cercando.
Figura 34. Energia assorbita in funzione della temperatura esterna media, confronto Edificio 1 e Edificio 2
Figura 35. Energia assorbita in funzione della temperatura esterna media, dettaglio per piano Edificio 2
0 5000 10000 15000 20000 25000
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00
Energia [kWh]
Temperatura esterna media [°C]
Energia assorbita
Edificio 1 Edificio 2
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00
Energia [kWh]
Temperatura esterna media [°C]
Energia Assorbita
849 850 851 852 853
Figura 36.Energia assorbita in funzione della temperatura esterna media, Edificio 2 piano 2
In Figura 36 è mostrata la firma energetica relativa al secondo piano dell’Edificio 2. Pur presentando l’andamento atteso, appaiono due punti isolati: si tratta dei record relativi ai mesi di dicembre e agosto: in tali mesi la richiesta di energia risulta non in linea con i mesi successivi e precedenti. Volendo quindi produrre delle linee di tendenza su Excel per evidenziare la firma energetica, tali mesi sono stati esclusi per non influire negativamente sul risultato.
Figura 37. Energia assorbita in funzione della temperatura esterna media, Edificio 2 piano 2 GennaioFebbraio
Marzo
Aprile Maggio
Giugno Luglio
Agosto Settembre
Ottobre Novembre
Dicembre
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00
Energia [kWh]
Temperatura esterna media [°C]
Energia Assorbita
852
GennaioFebbraio
Novembre
Marzo Ottobre
Aprile Maggio Settembre
Giugno Luglio
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0
Energia [kWh]
Temperatura esterna media [°C]
Firma Energetica Estiva Edificio 2, Piano 2
In Figura 37 è mostrata la medesima firma energetica, filtrata dai mesi di dicembre e Agosto, in cui sono evidenziate le tre linee di tendenza relative agli andamenti attesi. La prima mostra infatti un incremento dell’energia assorbita al diminuire della temperatura media esterna, con picchi di richiesta in corrispondenza di Gennaio e Febbraio e temperature nell’ordine dei 5°C. Nel secondo tratto, la richiesta si mantiene pressoché costante tra i 10°C ed i 20°C, mentre nel terzo tratto l’andamento è nuovamente crescente con l’aumentare della temperatura esterna con il culmine di energia assorbita in corrispondenza del mese di Luglio e temperatura media esterna pari a 26°C.
Nel corso del presente studio si è scelto di analizzare i consumi associati all’illuminazione ed al condizionamento estivo, per cui non è stata effettuata una valutazione della firma energetica dei mesi invernali. La firma energetica mostrata in Figura 38, è stata quindi assunta come media di riferimento per gli Edifici presi in esame.
Figura 38. Firma Energetica di riferimento, mesi estivi Settembre
Giugno
Luglio
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
18,0 19,0 20,0 21,0 22,0 23,0 24,0 25,0 26,0 27,0 28,0
Energia [kWh]
Temperatura esterna media [°C]
Firma Energetica Estiva Edificio 2, Piano 2
5.Progettazione elettrica di impianti fotovoltaici connessi alla rete
La linea guida suggerisce dei criteri base che possono essere considerati come riferimento per il corretto svolgimento della progettazione. Dal momento in cui lo scopo finale della progettazione è quello di massimizzare la captazione della radiazione solare dell’impianto, i punti chiave da affrontare sono i seguenti:
ottimizzazione del posizionamento dei moduli fotovoltaici
scelta dei componenti da utilizzare
configurazione dell’impianto
analisi degli ombreggiamenti
analisi delle prestazioni
Al termine del lavoro di progettazione, indici di un corretto svolgimento saranno:
efficienza operativa media del generatore fotovoltaico superiore al 85%
efficienza operativa media dell’impianto fotovoltaico superiore al 75%
decadimento delle prestazioni dei moduli non superiore al 20%, considerando la vita dell’impianto pari a 20 o 25 anni.
Al fine di facilitare lo studio dell’impianto da realizzare si è fatto ausilio di due software:
Google Earth Pro di Google LLC e PVSOL premium 2018 di Valentin Software. In particolare, il primo strumento è stato utilizzato per rilevare la posizione e le misure degli edifici in esame mentre il secondo è stato fondamentale in primo luogo per costruire il modello 3D degli edifici e successivamente per modellare e studiare l’impianto fotovoltaico.
Prima di esaminare in dettaglio gli step che sono stati affrontati nel corso di questo studio, si ritiene utile richiamare i concetti alla base del funzionamento della tecnologia fotovoltaica.
5.1. Distribuzione spettrale della radiazione solare
Il Sole può essere considerato come un reattore in funzionamento continuo: tra le diverse reazioni che vi hanno luogo, quella considerata la più importante è il processo di trasformazione dell’idrogeno in elio.
41H 4He +
dove γ indica 1 fotone di radiazione gamma, gli apici la massa approssimata ed i coefficienti numerici le proporzioni di reazione. La massa dei prodotti (elio) è inferiore rispetto a quella dei reagenti (idrogeno): tale massa non viene perduta durante la reazione, ma si converte in energia.
Questa energia arriva sulla Terra sotto forma di radiazione elettromagnetica che ha una distribuzione spettrale dall’ultravioletto all’infrarosso con lunghezze d’onda λ da 250 a 2500 nm. La potenza per unità di superficie che questa trasporta è chiamata irradianza, e misura 1367 W/m2 all’esterno dell’atmosfera terrestre (costante solare) mentre al suolo ed in condizioni di cielo sereno vale circa 1000 W/m2.
Figura 39. Irradiazione solare normalizzata in funzione della lunghezza d'onda
Nell’attraversare l’atmosfera terrestre, la radiazione solare viene in parte riflessa, in parte assorbita dalle molecole presenti in atmosfera ed in parte diffusa. La parte rimanente, sommata alla quota di energia riflessa dal terreno, rappresenta la radiazione che raggiunge la Terra.
Figura 40. Distribuzione spettrale della luce solare e assorbimento molecolare
Per stimare la radiazione incidente al suolo, ovvero la radiazione globale, è necessario considerare alcuni fattori:
la posizione del Sole nel cielo, variabile in funzione di latitudine e longitudine del punto considerato sulla superficie terrestre (per il Politecnico di Torino 45°03'46.5"N 7°39'44.9"E);
la declinazione solare δ, ovvero l’angolo che la direzione dei raggi solari forma a mezzogiorno col piano equatoriale, calcolabile per mezzo della formula approssimata di Cooper;
Figura 42. Declinazione solare
Figura 41. Percorso del Sole nelle diverse stagioni
l’orientamento della superficie considerata rispetto alla posizione del Sole;
Figura 43. Zenith, Azimuth e Angolo di elevazione solare
stato degli strati atmosferici, ovvero le condizioni atmosferiche di nuvolosità e torbidità atmosferica locali;
5.2. La cella fotovoltaica
La cella fotovoltaica è l’elemento base dei sistemi fotovoltaici, poiché in essa avviene la conversione diretta della radiazione solare in energia elettrica. Per comprendere il processo di conversione, è opportuno richiamare i principi di banda di energia, di valenza, di conduzione e proibita. La prima è definita come l’insieme dei livelli energetici posseduti dagli elettroni e comprende le altre tre. Si chiama banda di valenza l’insieme degli elettroni che hanno un livello energetico basso e sono coinvolti nel legame chimico.
Nella banda di conduzione invece si trovano quegli elettroni dotati di un livello energetico abbastanza alto da allontanarsi dall’atomo di appartenenza e circolare nel reticolo cristallino. Tra queste due bande vi può essere una banda proibita, ovvero un insieme di livelli energetici non consentiti: essa rappresenta il salto energetico necessario all’elettrone per passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione.
Nei materiali semiconduttori la differenza energetica tra banda di valenza e banda di conduzione è piccola, a differenza dei materiali isolanti, per cui gli elettroni sono in grado di “saltare” nella banda di conduzione quando l’energia ricevuta dall’esterno è sufficiente.
Figura 44. Bande energetiche in isolanti, semiconduttori e conduttori
Quando la cella è esposta alla radiazione solare si manifesta l’effetto fotovoltaico, ovvero a causa dell’assorbimento di un quanto di radiazione elettromagnetica, purché dotato di
energia sufficiente, un elettrone presente nella barra di valenza di un materiale semiconduttore passa dalla banda di valenza alla banda di conduzione. Poiché si forma una lacuna nella banda di valenza, il processo di assorbimento del fotone genera coppie elettrone-lacuna. Ciascun semiconduttore è perciò vincolato a convertire in energia elettrica solo una parte dello spettro solare. La rimanente frazione di energia viene perduta sotto forma di calore e non può essere convertita in potenza utile.
Al fine di generare un campo elettrico è però necessario “drogare” il semiconduttore, comunemente il silicio, dotato di una struttura tetravalente, mediante l’inserimento di atomi trivalenti (tipo P) e pentavalenti (tipo N) su facce opposte. In tal modo, gli elettroni della regione di tipo N vicino all’interfaccia si diffondono in quella di tipo P, formando uno strato carico positivamente. In modo simile, le lacune dal tipo P si diffondono nella direzione opposta formando uno strato carico negativamente. La regione tipo P ha un eccesso di lacune mentre la regione tipo N ha un eccesso di elettroni: nella zona di contatto, la giunzione P-N, si viene quindi a creare un campo elettrico interno che si oppone all’ulteriore diffusione di cariche elettriche. Una volta oltrepassata la giunzione P-N, gli elettroni non possono dunque tornare indietro, e si è in questo modo ottenuto un flusso ordinato di elettroni, ovvero una corrente elettrica, in una struttura analoga a quella di un diodo a semiconduttore.
Figura 45. Generazione di un flusso di elettroni in un pannello fotovoltaico
Esistono diversi tipi di celle fotovoltaiche che si distinguono per materiale utilizzato, rendimenti e applicazioni. Le celle sono quindi raggruppate per formare un modulo e più moduli compongono un pannello. Più pannelli possono quindi essere collegati in serie o in parallelo al fine di raggiungere livelli di potenza generata utili per applicazioni pratiche.
Il parametro che caratterizza i moduli è la potenza di picco Wp, che è la potenza massima erogata in condizioni di prova normalizzate STC (irradianza pari a 1000 W/m2, massa d’aria 1,5 e temperatura di cella pari a 25°C); poiché le STC sono condizioni di collaudo in laboratorio, si fornisce anche la temperatura normale di funzionamento NOCT come parametro caratteristico del modulo. Da questa temperatura è possibile, con le dovute assunzioni, ricavare la temperatura di cella Tc nelle condizioni operative del modulo.
5.3. Il problema dell’ombreggiamento
Per un utilizzo ottimale di un impianto fotovoltaico è necessario evitare l’ombreggiamento parziale o totale dei moduli. Un’ombra parziale sul modulo è sufficiente per ridurre notevolmente il suo rendimento e trasformare il modulo stesso in carico passivo. Tale modulo si comporta come un diodo che blocca la corrente prodotta dalle altre celle collegate in serie, con la conseguente compromissione della produzione dell’intero campo; inoltre, il diodo è soggetto alla tensione delle altre celle che può provocare la perforazione della giunzione con surriscaldamento localizzato (hot-spot) e danni al modulo.
Diventa quindi necessario, in fase di progettazione, tenere in considerazione la presenza di altri edifici, alberi, camini ed in generale qualsiasi ostacolo che potrebbe provocare un ombreggiamento anche parziale e di conseguenza una considerevole mancata produzione o una perdita di rendimento.
Figura 46. Esempio di ombreggiamento sui moduli
5.4. Installazione dei moduli fotovoltaici
Nell’installazione dei moduli su superfici piane o inclinate è bene tenere presente che non è sempre possibile sfruttare l’intera area a disposizione. Ad esempio, nel caso di installazione su tetti si raccomanda una distanza dai margini di 0,5-1 m. Inoltre, non bisogna trascurare un certo intervallo necessario alle strutture di sostegno ed alle guide (Figura 47).
Figura 47. Struttura di sostegno dei pannelli fotovoltaici
Infine, dal momento in cui durante la vita dell’impianto sono necessarie operazioni di manutenzione, occorre raggruppare i moduli in campi distanziati tra loro di almeno 30 cm, in modo da garantire un passaggio sicuro agli operatori (Figura 48).
Figura 48. Esempio di installazione su tetto piano
5.5. Tipologie di impianti fotovoltaici
Esistono due tipologie di impianti: quelli isolati e quelli collegati alla rete. Gli impianti appartenenti al primo tipo o stand-alone sono impianti non collegati alla rete elettrica e costituiti dai soli moduli e da un sistema di accumulo, il quale garantisce l’erogazione di energia elettrica anche nei momenti di scarsa illuminazione o nelle ore di buio. Tali impianti risultano tecnicamente ed economicamente vantaggiosi qualora la rete elettrica sia assente o difficilmente raggiungibile.
Gli impianti collegati alla rete, o grid-connected, assorbono energia da essa nelle ore in cui il generatore fotovoltaico non è in grado di produrre l’energia richiesta dall’utilizzatore ma, quando il sistema produce energia elettrica in eccesso, il surplus viene immesso in rete. Questo tipo di impianto offre l’enorme vantaggio della generazione distribuita e localizzata nei pressi dell’utilizzatore. In conseguenza di ciò, le perdite di trasmissione sono limitate così come gli oneri economici per il trasporto ed il dispacciamento dell’energia elettrica. In più, la produzione di energia nelle ore di sole consente di ridurre la domanda alla rete durante il giorno, proprio quando si verifica la maggiore richiesta.
Figura 49. Schemi di impianto grid-connected e standalone
6. Modello fotovoltaico
Gli edifici presi in considerazione per la localizzazione dell’impianto fotovoltaico sono stati definiti nel Capitolo 4 : si tratta di un complesso di strutture situate nella sede centrale dell’ateneo, le cui coperture sono differenti tra loro ed hanno diverse esposizioni. Due edifici del complesso hanno copertura piana, mentre le altre cinque strutture sono dotate di copertura a falda con esposizione a Sud-Ovest e Nord-Est. Ai fini del posizionamento dell’impianto fotovoltaico, solamente le superfici esposte a Sud-Ovest sono state prese in considerazione per quanto riguarda le coperture a falda. Si richiama la pianta del complesso di Figura 19.
Figura 50. Pianta del complesso TO_CEN04
Per quanto riguarda le coperture piane, per le quali va prevista una installazione su struttura opportunamente inclinata, solo la superficie dell’Edificio 6 è stata presa in considerazione in fase iniziale. Questo perché essa è l’unica che si presenta sgombra da camini, lucernari, apparecchiature esterne di ventilazione o condizionamento e in generale ostacoli che potrebbero causare ombreggiamento o rendere complicata l’installazione.
Figura 51. Coperture del complesso, pianta
Una volta individuati gli edifici, è stato utilizzato il software PVSOL Premium per creare un modello tridimensionale adatto alla simulazione dell’impianto (Figura 52). Le dimensioni fisiche delle strutture sono state ricavate a partire da Google Earth Pro tramite lo strumento 3D Path e confrontante con le planimetrie del Politecnico disponibili sul software AutoCAD di Autodesk.
Figura 52. Modello 3D su software PVSOL Premium
Figura 53. Schema di impianto FV connesso in rete con carico
Seguono i passi fondamentali per l’impostazione del modello, che vengono commentati di seguito:
Caricamento dei dati meteo;
Scelta del modulo fotovoltaico;
Scelta del modello di inverter;
Disposizione dei pannelli sulle coperture;
Simulazione dell’ombreggiamento;
I dati meteo relativi alla posizione geografica dell’impianto sono essenziali al fine della previsione della producibilità dell’impianto fotovoltaico stesso. Il software è dotato di un proprio database, per cui è sufficiente selezionare la località di interesse per caricare i dati ad essa relativi ed in particolare la norma UNI 10349 di riferimento (Figura 54).
Figura 54. Dati meteorologici di riferimento
Per quanto riguarda il modulo fotovoltaico, la scelta è ricaduta sul modello BenQ SunForte PM096B00 in silicio monocristallino da 327 W, del quale viene riportata di seguito una tabella riassuntiva dei dati elettrici e la scheda tecnica completa in appendice.
Tale scelta è stata giustificata da due ragioni: l’elevata efficienza del pannello, pari a 20.1%, e la precedente adozione del medesimo modulo in analisi relative ai locali del Politecnico. Per il secondo motivo è quindi possibile effettuare opportuni confronti rispetto a previsioni e studi precedenti, approfondire tali analisi ed eventualmente risolvere criticità.
Figura 55. Caratteristiche elettriche del modulo BenQ SunForte PM096B00
Per quanto riguarda invece il modello di inverter, sono stati selezionati due modelli della casa ABB, dei quali viene riportata la scheda tecnica in appendice:
PVI-10.0/12.5-TL-OUTD 10 to 12.5 kW, con efficienza del 97,8%
TRIO-20.0/27.6-TL-OUTD 20 to 27.6 kW, con efficienza del 98,2 %
ABB fornisce inoltre uno strumento gratuito per assistere l’accoppiamento degli inverter con un corretto numero di moduli. Questo strumento permette in modo rapido di individuare il numero di pannelli che è possibile collegare tramite un singolo inverter, una volta selezionati i modelli di modulo fotovoltaico e di inverter stessi. Viene inoltre fatta distinzione tra la configurazione a singolo MPPT e quella a MPPT doppio. Nel caso in esame si è sempre fatto riferimento a quest’ultimo caso, ritenuto più conveniente dal punto di vista dell’ottimizzazione dell’impianto. Come mostrato in Figura 56, Stringsizer di ABB permette rapidamente di valutare il numero massimo di moduli in serie ed in parallelo che è possibile collegare all’inverter. In aggiunta, anche PVSOL Premium permette di valutare il corretto collegamento dei campi di moduli con gli inverter una volta definiti i parametri del modello tridimensionale.
